CN104092272B - 一种电动汽车充电系统与配电网的优化配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车充电系统与配电网的优化配置方法，该方法在充电过程中检测电动汽车电池组的单体锂离子电池的状态，根据电池状态及配电网状态，进行均衡地、自适应地充电，减少充电给配电网带来的冲击，延长电池使用寿命，该方法还可以实时检测和滤除充电过程中向配电网注入的谐波。本方法可以实现电动汽车电池和配电网之间最优充电方式的配置。
Description
技术领域
本发明涉一种电动汽车充电系统与配电网的优化配置方法。
背景技术
电动汽车可以减少人类对石油资源的依赖，随着全球石油资源日渐枯竭，与传统的燃油汽车相比，电动汽车备受青睐。电动汽车形成规模化应用后，将对充电设施发展和电网运行带来新的挑战：(1)引发新的负荷增长；对电网升级改造和规划建设提出更高要求；加大配电网运行管理难度。在智能电网背景下，对电动汽车充电实施智能管理，可避免电动汽车充电需求对电网造成的不利影响，并提高电网的运行效率。(2)电动汽车在充放电的过程中，会在充电站的电网中加入多种各次谐波，因此在电动汽车充电站中，必须采取有效的措施治理注入电网中的谐波电流，把谐波电流控制在某一限值，是消除和减少电动汽车谐波和提高系统电能质量的重要工作。
在智能电网背景下，对电动汽车充电实施智能管理，可避免电动汽车充电需求对电网造成的不利影响，并提高电网的运行效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种电动汽车充电系统与配电网的优化配置方法，该方法在充电过程中检测电动汽车电池组的单体锂离子电池的状态，根据电池状态及配电网状态，进行均衡地、自适应地充电，减少充电给配电网带来的充击，延长电池使用寿命，该方法还可以实时检测和滤除充电过程中向配电网注入的谐波。本方法可以实现电动汽车电池和配电网之间最优充电方式的配置。
为了实现上述目的，本发明提供一种电动汽车充电系统与配电网的优化配置方法，该充电系统包括：电动汽车电池检测模块，多个充电模块，充电管理模块，交流/直流变换器，配电网检测模块，滤波模块和无线通信模块，该方法包括如下步骤：
(1)使用电动汽车电池检测模块实时检测电动汽车的各个电池组的充电状态；
(2)使用配电网检测模块实时检测配电网的电压波动情况和充电系统对配电网的谐波注入情况；
(3)用于根据当前电池充电状态以及配电网的电压波动情况，上述充电管理模块制定适当的充电策略，控制上述多个充电模块中的每个充电模块对单个电池组的充电功率，以实现对各电池组的均衡充电；
(4)根据谐波注入情况，使用滤波模块，实时消除充电过程中产生的谐波；
所述无线通信模块包括无线信号发出单元和无线信号接收单元，无线信号发出单元设置成与电动汽车电池检测模块相连，无线信号接收单元设置成与充电管理模块相连，在步骤(1)中，无线信号发出单元将电动汽车电池检测模块检测到的各电池组充电状态发送给无线信号接收单元，由无线信号接收单元传递给充电管理模块；
在步骤(3)中，各电池组并联连接在所述充电模块的电池端，通过所述充电模块进行充电；
所述充电管理模块包括控制器和与每个电池组对应的充电模块相连的均衡器，在步骤(3)中，所述控制器根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器根据指令来控制与各充电模块对各电池组的充电功率；
在步骤(3)中，使得电能双向流动，即交流/直流变换器的连接各个充电模块的总线通过各个充电模块为各电池组充电，各电池组也将能量通过各自的充电模块反馈给上述总线，从而将电能充给其他电池组，实现不同物理位置的两个电池组之间，点对点的能量交换，还可以实现多个电池之间，多对一的能量交换。
优选的，在步骤(3)中，电动汽车电池检测模块实时采集各电池组中每节单体电池的电压值，并判断各节单体电池的电压值是否超过预设的阈值，当采集到某一单体电池的电压值超过预设的阈值时，输出控制信号至充电管理模块，充电管理模块控制充电模块将充电电流值降低到预设的均衡电流值。
优选的，所述电动汽车电池检测模块，具有检测各电池组的充电电流的高精度电流传感器以及微处理器，在步骤(1)中所述高精度电流传感器将充电电流信号发给所述微处理器，所述微处理器根据充电电流信号确定充电时间、充电功率，并通过无线通信模块将充电时间和充电功率发送给充电管理模块。
优选的，所述电动汽车电池检测模块和所述充电管理模块，不停地通过无线通信模块进行数据交互，计算修正充电曲线，实时地进行控制；同时，所述充电管理模块不断地通过配电网检测模块从配电网获取当前电压波动情况，充电管理模块会根据电压波动情况计算出配电网允许的最大充电电流及电动汽车当前的参数重新加权计算充电曲线，从而始终实现最优充电配置。
优选的，在步骤(4)中，谐波的检测和滤除采用如下方法：通过采用双阶段间谐波检测方法实现，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其从原信号中滤除掉；第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取间谐波分量，从而去除该间谐波分量；具体如下：
a、谐波分量的检测和滤除：
信号中谐波频率成分x(n)，由式(1)表示
xw(n)＝x(n)*w1(n)……………………………………………………(1)
式(1)中：n＝0，1，2，……；xw(n)为加窗截断后序列；w1(n)为第一阶段谐波检测选取的窗函数；
式(1)中信号的谐波频率成分x(n)可以表示为谐波分量xH(n)和间谐波分量xl(n)之和，则式(1)由式(2)表示
xw(n)＝[xH(n)+xl(n)]*w1(n)＝xH(n)*w1(n)+xl(n)*w1(n)…………(2)
式(2)中，xH(n)为理论计算的谐波分量，
根据式(2)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的谐波分量xH1(n)，并利用滤波模块将其从原信号中滤除；
b、间谐波分量的检测和滤除：
通过步骤a后，信号中谐波频率成分x(n)，由式(3)表示
x’w(n)＝[xH(n)-xH1(n)+xl(n)]*w2(n)…………………………………(3)
式中：x’w(n)为滤除谐波分量计算值后序列；w2(n)为第二阶段谐波检测选取的窗函数；
要保证第一阶段a的计算精度，即要求εH＝xH(n)-xH1(n)尽量小，将εH＝0简化处理后，则式(3)由式(4)表示
x’w(n)＝xl(n)*w2(n)………………………………………………(4)
根据式(4)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的间谐波分量xl(n)，并利用滤波模块将其从原信号中滤除。
本发明提供的电动汽车充电方法具有如下优点：(1)可以实时的检测各电池组的充电情况以及配电网的供电情况，并对各电池组进行均衡充电，优化充电过程，避免在充电过程中对单个电池组的充击以及对电网的充击。(2)实时检测和滤除充电系统给配电网带来的谐波，减少充电系统对配电网的危害；(3)在电池和充电控控制模块之间采用无线通信，减少系统的接线，提高了充电过程的可靠性。
附图说明
图1示出了本发明的电动汽车充电系统的框图；
图2示出了图1中系统中的充电管理模块、充电模块及无线通信模块的组成；
图3示出了图1中系统中的滤波模块的具体组成；
图4示出了图1中的充电系统与配电网优化配置方法的流程图。
具体实施方式
图1是示出了根据本发明的一种电动汽车智能充电系统的框图，该电动汽车智能充电系统包括：与配电网1连接交流/直流变换器2，用于将配电网1的交流电转换为直流电，所述交流/直流变换器2包括电流变换模块和PWM脉宽调制模块，所述电流变换模块将输入的220V市电经整流变换得到一定的充电电流，所述PWM脉宽调制模块根据控制信号，来控制交流/直流变换器2的输出；配电网检测模块4，用于实时检测配电网的电压波动情况和充电系统注入配电网的谐波；滤波模块4，用于实时消除充电系统注入配电网1的谐波；多个充电模块5，用于对电动汽车的多个电池组进行充电；充电管理模块6，用于根据当前电池充电状态和配电网电压波动情况，控制上述每个充电模块5对单个电池组的充电功率，以实现对各电池组的均衡充电；电动汽车电池检测模块8，用于实时检测电动汽车的各个电池组的充电状态；无线通信模块7，用于电动汽车电池检测模块7和充电管理模块6之间的通信。
图2示出了图1中系统中的充电管理模块、充电模块及无线通信模块的组成。充电管理模块6包括控制器61和均衡器1-n。多个充电模块5包括分别与电池组1-n对应的充电模块1-n。所述均衡器1-n分别对应，所述控制器61根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器1-n根据指令来控制与充电模块1-n对电池组1-n的充电功率，其中电池组1-n的充电信息由所述无线通信模块7来传递。所述充电模块1-n由双向电子开关组成。所述均衡器1-n可为PWM信号发生器，用于向充电模块1-n的双向电子开关发出控制信号，以控制所述双向电子开关的开断。所述电子双向开关，可以采用本领域成熟的任何能实现电能双向流动的电子开关。
所述无线通信模块7包括无线信号发出单元和无线信号接收单元，无线信号发出单元设置成与电动汽车电池检测模块8相连，无线信号接收单元设置成与充电管理模块6的控制器61相连，无线信号发出单元将电动汽车电池检测模块8检测到的各电池组充电状态发送给无线信号接收单元，由无线信号接收单元传递给充电管理模块6的控制器61。所述电池组充电状态，包括当前充电电压，充电电流，充电时间，电池温度以及SOC值等。
电池组1-n，并联连接在所述充电模块1-n的电池端，通过所述充电模块1-n分别进行充电。所述电池组1-n优选为锂电池组。
所述智能充电系统可实现能量的双向流动，交流/直流变换器2的连接各个充电模块的总线21可通过充电模块1-n为电池组1-n充电，电池组1-n也可将能量通过各自的充电模块1-n反馈给上述总线，从而将电能充给其他电池组，以实现不同物理位置的两个电池组之间，点对点的能量交换，还可以实现多个电池之间，多对一的能量交换。这将有利于提高电池组整体能量均衡效率和均衡速度。
图3示出了本发明的滤波模块3的具体组成，所述滤波模块3由C型滤波器31和有源滤波器(AFC)33通过耦合变压器32连接而构成，与多个充电模块并联。在达到减少谐波的目的的同时，可以实现调压、无功补偿等多种功能。有源滤波器为智能功率模块构成的电压型逆变器，解决谐波动态补偿问题。耦合变压器实现有源滤波器和无源滤波器的电气隔离，并根据两者的电压、电流等级来选择合适的变比。无源滤波器主要由单调谐滤波器组成，利用电感和电容在特征谐波频率处阻抗很小的特点，将负载中的该次谐波电流引入单调谐滤波器。
图4示出了本发明方法的主要步骤：
(1)使用电动汽车电池检测模8块实时检测电动汽车的各个电池组1-n的充电状态；
(2)使用配电网检测模块4实时检测配电网1的电压波动情况和充电系统对配电网的谐波注入情况；
(3)用于根据当前电池组1-n充电状态以及配电网1的电压波动情况，上述充电管理模块制定适当的充电策略，控制上述每个充电模块对单个电池组1-n的充电功率，以实现对各电池组的均衡充电；
(4)根据谐波注入情况，使用滤波模块3，实时消除充电过程中产生的谐波。
在步骤(1)中，无线信号发出单元将电动汽车电池检测模块8检测到的各电池组1-n充电状态发送给无线信号接收单元，由无线信号接收单元传递给充电管理模块6。
在步骤(3)中，各电池组1-n并联连接在所述充电模块1-n的电池端，通过所述充电模块1-n进行充电。
所述电动汽车电池检测模块8，具有检测各电池组的充电电流的高精度电流传感器以及微处理器，在步骤(1)中所述高精度电流传感器将充电电流信号发给所述微处理器，所述微处理器根据充电电流信号确定充电时间、充电功率，并通过无线通信模块，将充电时间和充电功率发送给充电管理模块6。
在步骤(3)中，所述控制器61根据各电池组1-n的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器1-n根据指令来控制与各充电模块1-n对各电池组1-n的充电功率。
在步骤(3)中，使得电能双向流动，即交流/直流变换器2的连接各个充电模块的总线21可通过各个充电模块1-n为各电池组1-n充电，各电池组1-n也可将能量通过各自的充电模块反馈给上述总线21，从而将电能充给其他电池组，可实现不同物理位置的两个电池组之间，点对点的能量交换，还可以实现多个电池之间，多对一的能量交换。
在步骤(3)中，电动汽车电池检测模块8实时采集个电池组中每节单体电池的电压值，并判断各节单体电池的电压值是否超过预设的阈值，当采集到某一单体电池的电压值超过预设的阈值时，输出控制信号至充电管理模块，充电管理模块控制充电模块将的充电电流值降低到预设的均衡电流值。
在步骤(2)中，所述电动汽车电池检测模块8和所述充电管理模块6，不停地通过无线通信模块进行数据交互，计算修正充电曲线，实时地进行控制；同时，所述充电管理模块6不断地通过配电网检测模块从配电网获取当前电压波动情况，充电管理模块6会根据电压波动情况计算出配电网允许的最大充电电流及电动汽车当前的参数重新加权计算充电曲线，从而始终实现最优充电配置。
在步骤(4)中，谐波的检测和滤除采用如下方法：通过采用双阶段间谐波检测方法实现，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其从原信号中滤除掉；第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取间谐波分量，从而去除该间谐波分量；具体如下：
a、谐波分量的检测和滤除：
信号中谐波频率成分x(n)，由式(1)表示
xw(n)＝x(n)*w1(n)……………………………………………………(1)
式(1)中：n＝0，1，2，……；xw(n)为加窗截断后序列；w1(n)为第一阶段谐波检测选取的窗函数；
式(1)中信号的谐波频率成分x(n)可以表示为谐波分量xH(n)和间谐波分量xl(n)之和，则式(1)由式(2)表示
xw(n)＝[xH(n)+xl(n)]*w1(n)＝xH(n)*w1(n)+xl(n)*w1(n)…………(2)
式(2)中，xH(n)为理论计算的谐波分量，
根据式(2)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的谐波分量xH1(n)，并利用滤波模块将其从原信号中滤除；
b、间谐波分量的检测和滤除：
通过步骤a后，信号中谐波频率成分x(n)，由式(3)表示
x’w(n)＝[xH(n)-xH1(n)+xl(n)]*w2(n)…………………………………(3)
式中：x’w(n)为滤除谐波分量计算值后序列；w2(n)为第二阶段谐波检测选取的窗函数；
要保证第一阶段a的计算精度，即要求εH＝xH(n)-xH1(n)尽量小，将εH＝0简化处理后，则式(3)由式(4)表示
x’w(n)＝xl(n)*w2(n)………………………………………………(4)
根据式(4)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的间谐波分量xl(n)，并利用滤波模块将其从原信号中滤除。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种电动汽车充电系统与配电网的优化配置方法，该充电系统包括：电动汽车电池检测模块，多个充电模块，充电管理模块，交流/直流变换器，配电网检测模块，滤波模块和无线通信模块，该方法包括如下步骤：
(1)使用电动汽车电池检测模块实时检测电动汽车的各个电池组的充电状态；
(2)使用配电网检测模块实时检测配电网的电压波动情况和充电系统对配电网的谐波注入情况；
(3)用于根据当前电池充电状态以及配电网的电压波动情况，上述充电管理模块制定适当的充电策略，控制上述多个充电模块中的每个充电模块对单个电池组的充电功率，以实现对各电池组的均衡充电；
(4)根据谐波注入情况，使用滤波模块，实时消除充电过程中产生的谐波；
所述无线通信模块包括无线信号发出单元和无线信号接收单元，无线信号发出单元设置成与电动汽车电池检测模块相连，无线信号接收单元设置成与充电管理模块相连，在步骤(1)中，无线信号发出单元将电动汽车电池检测模块检测到的各电池组充电状态发送给无线信号接收单元，由无线信号接收单元传递给充电管理模块；
在步骤(3)中，各电池组并联连接在所述充电模块的电池端，通过所述充电模块进行充电；
所述充电管理模块包括控制器和与每个电池组对应的充电模块相连的均衡器，在步骤(3)中，所述控制器根据各电池组的充电信息对各均衡器发出指令，各均衡器根据指令来控制与各充电模块对各电池组的充电功率；
在步骤(3)中，使得电能双向流动，即交流/直流变换器的连接各个充电模块的总线通过各个充电模块为各电池组充电，各电池组也将能量通过各自的充电模块反馈给上述总线，从而将电能充给其他电池组，实现不同物理位置的两个电池组之间，点对点的能量交换，还可以实现多个电池之间，多对一的能量交换。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(3)中，电动汽车电池检测模块实时采集各电池组中每节单体电池的电压值，并判断各节单体电池的电压值是否超过预设的阈值，当采集到某一单体电池的电压值超过预设的阈值时，输出控制信号至充电管理模块，充电管理模块控制充电模块将充电电流值降低到预设的均衡电流值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述电动汽车电池检测模块，具有检测各电池组的充电电流的高精度电流传感器以及微处理器，在步骤(1)中所述高精度电流传感器将充电电流信号发给所述微处理器，所述微处理器根据充电电流信号确定充电时间、充电功率，并通过无线通信模块将充电时间和充电功率发送给充电管理模块。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述电动汽车电池检测模块和所述充电管理模块，不停地通过无线通信模块进行数据交互，计算修正充电曲线，实时地进行控制；同时，所述充电管理模块不断地通过配电网检测模块从配电网获取当前电压波动情况，充电管理模块会根据电压波动情况计算出配电网允许的最大充电电流及电动汽车当前的参数重新加权计算充电曲线，从而始终实现最优充电配置。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：在步骤(4)中，谐波的检测和滤除采用如下方法：通过采用双阶段间谐波检测方法实现，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其从原信号中滤除掉；第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取间谐波分量，从而去除该间谐波分量；具体如下：
a、谐波分量的检测和滤除：
信号中谐波频率成分x(n)，由式(1)表示
xw(n)＝x(n)*w1(n)……………………………………………………(1)
式(1)中：n＝0，1，2，……；xw(n)为加窗截断后序列；w1(n)为第一阶段谐波检测选取的窗函数；
式(1)中信号的谐波频率成分x(n)可以表示为谐波分量xH(n)和间谐波分量xl(n)之和，则式(1)由式(2)表示
xw(n)＝[xH(n)+xl(n)]*w1(n)＝xH(n)*w1(n)+xl(n)*w1(n)…………(2)
式(2)中，xH(n)为理论计算的谐波分量，
根据式(2)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的谐波分量xH1(n)，并利用滤波模块将其从原信号中滤除；
b、间谐波分量的检测和滤除：
通过步骤a后，信号中谐波频率成分x(n)，由式(3)表示
x’w(n)＝[xH(n)-xH1(n)+xl(n)]*w2(n)…………………………………(3)
式中：x’w(n)为滤除谐波分量计算值后序列；w2(n)为第二阶段谐波检测选取的窗函数；
要保证第一阶段a的计算精度，即要求εH＝xH(n)-xH1(n)尽量小，将εH＝0简化处理后，则式(3)由式(4)表示
x’w(n)＝xl(n)*w2(n)………………………………………………(4)
根据式(4)，利用加窗插值FFT方法得到实际检测出的间谐波分量xl(n)，并利用滤波模块将其从原信号中滤除。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |